CHƯƠNG 3 : BỘ PHÁT QUANG
3.1. NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN
3.1.2. Các nguyên lý biến đổi quang điện
Nguyên lý biến đổi quang điện trong thông tin quang được thực hiện dựa trên 3 hiện tượng được minhhoạ như trên hình 3.4.
Hình 3.4. Các hiện tượng biến đổi quang điện
(a). Hấp thụ (b). Phát xạ tự phát (c). Phát xạ kích thích
Hiện tượng hấp thụ (absorption), hình 3.4.a, xảy ra khi một photon có năng lượng hf bịhấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp E1. Quá trình này chỉ xảy ra khi
năng lượng hf của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa mức năng lượng cao và mức nănglượngthấp củađiện tử (Eg = E2 – E1). Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điệntử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao.
Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hình 3.4.b, xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượng Eg = E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử. Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emision), hình 3.4.c, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg= E2 – E1). Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượngthấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với nănglượng của photon kích thích ban đầu. Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra). Photon mới được tạo ra có đặc điểm: cùng tần số, cùng pha, cùng phân cực và cùng hướng truyền với photon kích thích ban đầu. Đây là các đặc điểm của tính kết hợp (coherent) của ánh sáng. Do vậy, ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra có tính kết hợp. Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra tự nhiên do các điện tử luôn có khuynh hướng chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái ổn định có năng lượng thấp hơn. Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra một cách ngẫu nhiên theo thời gian và không gian. Do đó, pha, tần số, hướng truyền cũng như phân cực của sóng ánh sáng được tạo ra cũng ngẫu nhiên. Vì vậy, ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp. Hình 3.5 minh hoạ các trạng thái thay đổi năng lượng của điện tử khi xảy ra 3 hiện tượngbiến đổi quang điện nêu trên
Hình 3.5. Minh hoạ cáctrạng thái chuyểnđổi năng lượng giữa điệntử và photon
Các linh kiện biến đổi quang điện dùng trong thông tin quang sẽ dựa vào một trong các hiện tượng này để thực hiện quá trình biến đổi quang điện theo chức năng của từng loại linh kiện. Ví dụ như:
- Hấp thụ là nguyên lý biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện trong các linh kiện tách sóng quang (photodetector) - Phát xạ tự phát là nguyên lý biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng xảy ra trong LED (Light Emitting Diode). Vì vậy, ánh sáng do LED phát ra không có tính kết hợp.
- Phát xạ kích thích là nguyên lý biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang xảy ra trong Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Hiện tượng này cũng là nguyên lý khuếch đại tín hiệu ánh sáng xảy ra trong các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier). Ánh sáng đuợc tạo ra sau Laser cũng như các bộ khuếch đại quang có tính kết hợp.
Lưu ý rằng, trong tự nhiên, cả ba hiện tượng này xảy ra đồng thời với nhau. Quá trình hấp thụ năng lượng photon (hiệntượng hấp thụ) và phát xạ photon (hiện tượng phát xạtự phát và phát xạ kích thích) cân bằng với nhau trong điều kiện cânbằng về nhiệt (Khi đó, phân bố điện tử ở cácmức năng lượng khác nhau là ổn định theo phân bố Boltzmann). Tùy theo mục đích ứng dụng củatừng loại kiện quang điện, một trong các hiện tượng này sẽ được tập trung, làm tăng khả năng xảy ra dưới các điều kiện ảnh hưởng bên ngoài nhằm đạtđược hiệu suất cao nhất. Chi tiết về các điều kiện này sẽ được phân tích cụ thể trong phần trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linh kiện biến đổi quang điện.